ARM相关理论知识

一、计算机的组成

1.输入设备：将数据与程序转换成计算机能够识别，存储，运算的形式，输送到计算机中。

2.输出设备：将计算机对程序和数据的运算结果输送到计算机外部设备

3.控制器：由程序技术器，指令计数器，指令译码器，时许产生器和操作控制器组成。完成计算机指挥工作

4.运算器：由算数逻辑单元（ALU），累计寄存器，数据缓冲寄存器，和状态条件寄存器组成，是数据加工处理部件，完成各种算数与逻辑运算

5.存储器：用于保存计算机相关数据模块，根据功能分为内存（主存储器），外存（辅组存储器），寄存器，高速缓冲。

1）寄存器：存在CPU内部，用于暂时存放数据，CPU对此范围没有延时

2）告诉缓冲：硬件管理，主存被分为高速缓冲行，存放在CPU内部或非常接近高速缓冲中。当高速缓存需要存储一个字时，高速缓存检查所需要的高速缓存行是否在高速缓冲中，如是，则称为高速缓存命中，满足缓冲要求，就不需要通过总线把范访问请求送入主存，如不是，则必须访问主存。

3）主存（内存）：随机存储器（RAM），断电会丢失数据，制度存储器（ROM），断电数据不丢失，不可修改，启动加载模块是存放其中。电可擦可编程ROM（EEPROM）,断电不丢失，闪存（flash）,断电不丢失，易失性（CMOS），存放当前时间和日期，没有电也能更新，还可以配置参数，如启动那个磁盘。

4）磁盘（外存）：磁盘便宜，空间大，但是随机访问数据时间慢，是一种机械装置。

二、指令与指令集

1.机器指令：机器指令又叫机器码，在运算器内部存在各种运算电路，当处理器从内存中获取一条机器指令，就可以按照指令让运算器内部的指定的运算电路进行运算

2.汇编指令：由于机器指令对人类不友好(记不住)，当我们和计算机进行交互时不能直接通过机器指令来进行，这个时候汇编就出现了，每一条汇编指令都可以理解为一条机器指令的标识，当我们编写一条汇编指令时，相当于得到了一条机器指令，就可以让运算器进行对应的运算

3.指令集：指令集就是指令的集合，当设计一个处理器的内核时，需提前设计内核中应该有的运算器的运算电路种类和数量，每个运算电路都对应一条指令。所以，设计内核之前应该将每一条运算电路对应的指令设计出来，组成一个指令集，用于作为内核设计的框架。

4.一条指令执行过程：

1）取指阶段：控制器将需要执行的指令地址发送给内存，内存将hzi'l返回给控制器

2）译码阶段：取到指令后进行译码操作，分析当前指令的意义，通知运算器进行对应运算

3）执行阶段：指令译码完毕后，运算器进行对应的运算操作，将运算的结果进行保存

地址总线：用于传输地址的媒介

32位地址总线：32根传输地址的线，寻址范围：0-2^32-1

三、程序编译的基本原理

1.程序编译步骤：

1）预处理：将程序中以#开头的内容展开到当前文件中

2）编译：检查语法的错误，将程序生成汇编

3）汇编：编译汇编文件，生成二进制文件

4）链接：链接程序中使用各种库，生成可执行的二进制文件

2.编译的原理：不同框架的机器识别的机器指令不一样，机器指令与汇编指令不可移植。但是C语言是可移植的，如让c语言程序在不同框架的机器上运行，需要使用不同的编译器，去编译生成不同框架可执行的文件。

四、精简指令集与复杂指令集

指令集用于设计处理器内核框架，不同指令集可以用于设计不同的处理器内核

1.复杂指令集(CISC):指令长度与周期不固定，在处理能力上有优势，一般相对功耗，体积，成本更高，更侧重于硬件执行指令的功能性，它的硬件结构更为复杂。

2.精简指令集（RISC）：结构简单，选取了使用频率高的简单指令，指令长度固定，大小固定，多为单周期指令，在功耗，体积，价格方面多有优势，多用于嵌入式领域。

指令长度：一条指令占用存储空间的大小

指令周期：执行一条指令的时间

3.常见的精简指令集框架：

ARM架构：当前主流的精简指令集框架，需要ARM公司授权使用

RISC-V架构：开源，正迅速发展的精简指令集架构

MIPS：中国龙芯收购，在原有的架构基础上进行优化

五、ARM

1.ARM架构：ARM推出的用于设计不同处理器核心的框架，本质上是不同的ARM指令集
32位的处理器是指一条机器指令能够最大能够运算32位数据
32位指令集每条指令的长度是32位

2.ARM内核：不同的ARM处理器核心，它基于ARM架构设计

3.SOC：片上系统，若干个内核组成了一个处理器，在处理器外部集成各个外设（GPIO/UART/DMA/IIC/SPI），通过总线完成连接，组成一个微型计算机系统

六、ARM产品分布

1.Cortex-A系列：内核更加注重功能性的完善，继承以往ARM的内核，属于ARM高端产品，一般用于手机，电脑，pad。

2.Cortex-R系列：用在实时性要求比较高的场景，如智能汽车，军工，医疗

3.Cortex-M系列：属于RAM的低端产品，主要进行一些智能控制工作

4.SecurCore系列：用于对安全性能要求比较高的场景

5.Cortex-X系列：在2016年推出的一种内核系列，在云计算，边缘计算性能比较优越

6.ARM的数据约定：

A7采用的是32位框架：

约定：

Byte 8 bits
Halfword 16 bits
Word 32 bits
Doubleword 64 bits
大部分ARM core 提供：
ARM 指令集（32 bit）
THumb指令集（16 bit）

7.ARM工作模式

在ARM处理器面对不同的工作场景时会进入不同的工作模式去执行

User：非特权模式，大部分任务执行在这种模式
FIQ：当一个高优先级（fast）中断产生时，会进入这种模式
IRQ：当一个低优先级（normal）中断产生时，会进入这种模式
Supervisor：当复位或软中断指令执行时时会进入该种模式
Abort：当存取异常时，会进入该模式
Undef：当执行未定义的指令时，会进入该模式
System：使用和User模式相同寄存器集的特权模式
Cortex-A特有的模式：
monitor模式：执行安全监控代码时进入的模式
HYP模式：虚拟支持模式

8.ARM V7架构寄存器组织
ARM有37个32bits的长寄存器（1个PC，1个CPSP，5个SPSR，30个通用寄存器）
Cortex体系结构下有43个32bits长的寄存器
当前处理器的模式决定了哪些寄存器可操作，在任何模式下都可以存取
特权模式（除System模式）可以存取

9.ARMv7架构下的一些特殊寄存器

1).R15寄存器（PC）：又称为程序计数器，PC寄存器保存即将被从内存中取出来的指令地址，当保存的指令地址被处理器发送给内存之后，PC值会自动向下加一条指令大小，这便是程序继续向下顺序执行断电原因

实现程序跳转的本质就是修改PC值

2).R14寄存器（LR）：链接寄存器，当执行指令进行程序跳转，LR会保存跳转指令下一条指令的地址，为了程序返回

3).R13寄存器（SP）：栈指针寄存器，保存栈内存栈顶地址，对临时数据进行压栈出栈时，需要操作SP的值来找到栈区位置。

4).当前程序状态寄存器（CPSR）：保存当前程序工作状态（工作模式，中断禁止位，程序运算结果条件位）

5).被保存的程序状态寄存器（SPSR）：因各种异常切换到异常工作模式时，会将CPSR的值提前保存到SPSR中，处理器处理完异常后，会将SPSR的值赋值给CPSR，用于恢复处理器的工作状态

N[31]：指令运算的结果为负数时，N位被自动置1，否则为0
Z[30]：指令运算的结果为零时，Z位被自动置1，否则为0
C[29]：加法运算产生进位，C位被自动置1，否则为0，减法运算产生借位，C位被自动置0，否则为1
V[28]：符号位发生变化，V位自动置1，否则为0
I[7]:IRQ中断屏蔽位，I=0，不屏蔽IRQ中断，I=1，屏蔽IRQ中断
F[6]：FIQ中断屏蔽位，F=0，不屏蔽FIQ中断，F=1，屏蔽FIQ中断
T[5]：状态位，T=0，表示ARM状态，执行ARM指令集，T=1，Thumb状态，执行Thumb指令集
ARM指令集：一条汇编指令编译生成32位机器码
Thumb指令集：一条汇编指令编译生成16位机器码
ARM的指令集代码密度低，Thumb指令集代码密度高，ARM指令集功能性高于Thumb指令集
M[4:0]：模式位
10000：User mode
10001:FIQ mode
10010:IRQ mode
10011:SVC mode
10111:Abort mode
11011:Undef mode
11111:System mode
10110:monitor mode